動響應測試實驗報告

1、動響應測試分析固有頻率變化及剛度退化原因分析鄧星宇，林宏磊，陸海翔，湯足熠，范黎，李琛摘要：本次實驗主要針對于試驗室提供的L型鋼筋梁動響應的測試。實驗中采用了D-600-5電動振動實驗臺為鋼筋梁提供振動加速度，利用PS-1502A變壓器為ODC1200-01激光測震系統(tǒng)供電。實驗中利用金屬梁遮擋光幕的面積來獲得信號的輸出，進而完成進一步固有頻率等動響應參數的測定。在測試方面，實驗采用了NI數據采集系統(tǒng)、計算機數據采集系統(tǒng)，主要輔以labview編程，將信號最終轉換為頻率時間的變換關系，進而確定梁的固有頻率。整個實驗過程并非一帆風順，在試樣的選擇和金屬梁撓度初始標定、labview軟件調試時，實

2、驗遇到了很大的困難，在何頂頂等多位老師的幫助下最終找到了解決的辦法。隨后的實驗過程較為順利，我們順利拿到了頻率時間變化曲線，完成了金屬梁固有頻率的測定，并分析了梁剛度退化原因等相關問題。關鍵詞：L型金屬梁，動響應測試，labview編程，固有頻率，剛度退化引 言隨著科學技術的成熟與發(fā)展，土木工程結構為各領域所廣泛需求。土木工程結構通常具有較長的服役期，在長時間的服役期間，多樣性的建筑結構由于自身材料的老化、溫度效應與外部環(huán)境侵蝕、人為使用以及自然災害等諸多影響，內外部損傷的形成是無法避免的。內外部損傷的逐步累積，導致結構存在著危險漏洞，進而引發(fā)突發(fā)性的重大安全事故，直接威脅到國家經濟正常運作與

3、人身財產安全。因此，土木工程的損傷檢測變得越發(fā)重要，對損傷檢測技術更深入的研究與運用成為對建筑結構健康維護的主流趨勢。而基于固有頻率的結構損傷檢測是比較常見的一種方式。 結構固有頻率容易測量且與測量位置無關，頻率測量對周圍噪聲的敏感度也較低，相對振型和阻尼的測量誤差小，故基于頻率的損傷檢測起步較早，應用也較為廣泛 。眾所周知，當結構發(fā)生損傷時，結構的固有頻率也隨之變化，損傷后結構固有頻率暗含損傷信息，將損傷前后的頻率進行對比，從而識別結構損傷，識別方法將直接影響損傷檢測結果的精度或正確性。一般通過有限元建立未損傷結構模型，通過對已建成后的實際結構來修正有限元模型，使其能真實反映實際結構；結構發(fā)

4、生損傷后，根據實測頻率來修改有限元模型，將未損傷有限元模型和修改后的有限元模型進行比較，從而檢測出結構的損傷位置和程度。但是對于大型或復雜結構，進行實際測量存在困難，測點有限，且測量數據受噪聲干擾嚴重及測量數據嚴重不足，這就使得建立的未損傷有限元模型與實際損傷前結構存在差別，將直接影響損傷檢測的精確性。這都將增加結構損傷檢測難度。這些不足之處限制了該方法在結構損傷檢測中的應用。 用結構的振動測量信號進行結構損傷檢測是目前國內外研究的熱點.基本思路是首先探測出結構振動響應或結構動態(tài)特性的變化,然后利用結構的固有特性如特征方程、振型的正交性等建立結構動態(tài)特性變化與結構參數變化的關系,進而判定結構損

5、傷的位置和程度,該實驗測試了在隨機譜激勵下構建的動響應，由激光測振系統(tǒng)測得試樣的振幅，基于labview進行數據處理，分析構件在外荷載下的固有頻率的變化情況。該實驗的方法具有普遍意義，通過該實驗可以加深對于labview編程的理解，以及為類似振動實驗提供了借鑒。實驗設備和材料PS-1502A變壓器ODC1200-01激光測震系統(tǒng) D-600-5電動振動實驗臺 試樣梁NI數據采集系統(tǒng) 計算機數據采集系統(tǒng) 木工鉗 l型鋼筋梁1 實驗原理1.1激光測震系統(tǒng)總體結構分為發(fā)射器與接收器，發(fā)射器發(fā)出激光形成光幕，由接收器接收。當實驗梁處于光幕中振動時，根據遮擋激光面積的變化，使物體的振動信號轉化為電壓信號

6、的變化，達到監(jiān)測物體振動的目的。1.2設計原理在隨機譜激勵下，振動臺在豎直方向做著無規(guī)則振動，使固定在上方的試樣梁受到無規(guī)則的力不斷振動。此時試樣梁會不斷振動，但其振動頻率和振動臺振動頻率不一致，在某段極小時間內當其加速度達到最大值時，此時的振動頻率即為它的固有頻率。理論上當該時間段的長度接近于無限?。ㄒ稽c）時，即可得到該時間點的振動梁的固有頻率。但由于受到條件以及技術限制，目前我們只能做到測出某一時間段內梁的固有頻率。 通過激光測震系統(tǒng)監(jiān)測試樣梁的振動，將其振動信號轉化為電壓信號的變化，再通過ni數據采集系統(tǒng)和計算機數據采集系統(tǒng)轉化為模擬信號，從而得出振幅時間曲線。達到監(jiān)測試樣梁振動的目的。

7、再通過fft變換將其轉化為加速度頻率曲線。利用已知物理規(guī)律，當某物體做受迫振動振幅最大時，該振動頻率即為其固有頻率（共振現象）。由此推知，其振動加速度最大時，其頻率即為固有頻率。所以某一時間段內的振動加速度的最大值對應的頻率，即為該時間段內試樣梁的固有頻率。每隔固定時間段（實驗中取10分鐘和5分鐘）進行取樣，取一段時間段內測出其振幅時間曲線，通過濾波器去除其雜音等因素造成的不良影響使曲線趨于平穩(wěn)，得出加速度頻率曲線后，取加速度最大峰值對應的頻率即為該時間段內的試樣梁的固有頻率。2實驗設計2.1實驗過程要點計算機數據采集系統(tǒng)labview軟件的設計與編程，激光測震系統(tǒng)的搭建，以及金屬梁初始標定（

8、后放棄）。試樣梁的選擇與振動臺的使用（由老師幫忙進行）。2.2搭建測振系統(tǒng)使用ODC1200-01激光測振系統(tǒng)，由一個發(fā)射器與一個接收器組成。因為使用電壓為3-10v，所以我們選擇使用了PS1502a變壓器，使220v電壓控制在7v左右，使發(fā)射的激光穩(wěn)定且足夠強烈。由于其監(jiān)測原理是，物體在光幕中振動，根據其遮擋光幕的面積的變化，使得接收器接受到的激光信號產生變化，從而發(fā)出的電壓信號隨振動變化。所以，遮擋面積變化越明顯，其電壓信號變化越明顯。如果試樣梁整體處于光幕中時，其遮擋光幕面積無變化。所以我們設計成只將試樣梁側面的二分之一遮擋激光光幕，從而使其遮擋面積變化更為明顯，數據更為精確。同時，將激

9、光保持在水平面，并與試樣梁垂直，可保證面積變化率最大化。因為L型鋼筋梁為工業(yè)系統(tǒng)生產用于建筑，其彎曲程度較小，所以我們將激光測震系統(tǒng)通過木工鉗固定在鋼筋梁上保證接收器能接收發(fā)射器發(fā)出的激光。同時，在兩邊的工作臺上，通過工業(yè)統(tǒng)一生產的磚塊，鋼鐵塊，保證搭在上方的鋼筋梁左右高度一致從而達到水平。最后使試樣梁與鋼筋梁垂直保證其與發(fā)射出的激光光幕垂直。盡可能將激光測震系統(tǒng)可能產生的誤差控制在最小。2.3 Labview的設計與編程起初，我們設想是構筑單純的FFT變化數據處理程序，通過在靜荷載情況下撓度，電壓信號，以及零荷載情況下的電壓信號，用撓度除以電壓信號的相應值，得出撓度（振幅）與電壓信號的關系值

10、。但實際實驗中我們發(fā)現，由于試樣梁的材質為金屬合金，其硬度較高，即使是較大荷載下的撓度依舊微小，同時其電壓信號在靜荷載與零荷載的情況下數值十分接近，測量誤差較大。再者，我們取值是通過肉眼觀察曲線圖，所以誤差會很大。最終我們放棄了，構筑單純的FFT變換數字程式，采用撓度與電壓差進行初始標定的方法。 在labview程序中，不是編單純的FFT變換的數字處理程式，而是通過FFT頻譜圖進行自動標定的程式，從而將肉眼觀察等誤差排除，保證實驗結果的精確性。而通過多次測試，我們發(fā)現這種方法可行而且精確度高。3實驗主要內容3.1 開始我們進行了器材的選擇與準備。首先是激光測震系統(tǒng)，由于工作電壓是在3v10v左

11、右，所以我們選擇了 PS-1502AV變壓器，可對輸出電壓自行調控。為了保證發(fā)射的激光的穩(wěn)定以及強度，我們將電壓控制在了7v左右。同時將激光測震系統(tǒng)與計算機，NI數據處理模塊相連接，使其能將電壓信號通過ni數據處理系統(tǒng)轉化為模擬信號并傳輸進計算機的數據處理系統(tǒng)中。同時制作了一個建議的labview數據處理系統(tǒng)，為一個振幅時間曲線。連接NI數據處理系統(tǒng)后，在工作狀態(tài)下我們將發(fā)射器與接收器對準后，用手進行遮擋，保證其能接收信號并進行處理。進行取樣后，曲線框內出現了振幅隨著時間變化的曲線，從而證明了激光測震系統(tǒng)的可用性。3.2我們主要完成了激光測震系統(tǒng)的校準工作。為使精確度達到盡可能的高，我們需要控

12、制接收器接受的激光達到最大，即為二者保證完全對齊，同時距離控制得當。所以我們找到了一根L型鋼筋梁，將接收器與發(fā)射器固定在L型鋼筋梁內部，同時使用木工鉗固定。由于鋼筋梁為工業(yè)系統(tǒng)生產用于建筑建造，其彎曲程度極小，從而保證了發(fā)射器能完全對準接收器。同時，我們找到了統(tǒng)一制備的工業(yè)磚塊與鋼鐵塊，合理拼搭使搭在上方的鋼筋梁的兩端高度一致，從而使激光保持水平。同時我們對鋼筋梁兩邊進行標記，保證其位置是一定的，不會產生額外偏差。再將搭載點控制在鋼筋梁的兩端，使其盡可能的遠離振動臺，從而保證其基本不受振動臺的振動影響。3.3對labview程序進行編程。先是制作了一個單純的FFT變換的數字處理程式，通過濾波器

13、后的信號傳輸進程式中，通過FFT變換轉化為加速度頻率的曲線圖。但因為只是單純的數字處理程式，其中的電壓與振幅的關系系數是未知的，所以我們設計在靜荷載與零荷載情況下進行撓度和電壓信號的測定，用撓度（對應某一時刻的振幅）除以電壓信號對應值之差，得出振幅與電壓變化的關系系數。然而我們發(fā)現，基于振動臺結構的特殊性，我們無法在上面固定百分表進行撓度測定，所以選擇在邊上放置一穩(wěn)定的鋼鐵塊，再在上面固定百分表進行測定。由于試樣梁固定后，其與振動臺的間距較小，所以我們無法從下方進行撓度測定，于是我們從上方固定百分表進行測定。而且因為試樣梁材質為金屬合金，質地較硬，在加載了4kg的砝碼情況下撓度很小，通過肉眼觀

14、察百分表變化得出的數字誤差較大。同時，靜荷載與零荷載情況下的電壓差很小。從而導致關系系數的誤差必然很大。所以我們決定先回去商量對策，下一次進行修正，并改進實驗方案。3.4 我們主要進行了靜荷載與零荷載情況下電壓差較小的問題的修正。我們發(fā)現，試樣梁在激光測震系統(tǒng)中側面全部在光幕中并遮擋了一半有余的光幕，從而導致了試樣梁振動時，遮擋面積變化不明顯，以及后續(xù)的電壓變化不明顯等。所以我們選擇了在試樣梁下方墊了兩層墊圈使其增高的手段，墊高了大約為3mm的高度，使試樣梁側面大約一半在光幕中，同時遮擋光幕面積約為四分之一到三分之一，面積變化更為明顯，同時對鋼筋梁的位置等進行了相應調整。 由于試樣梁的連接處發(fā)

15、生改變，其撓度變化也會相應變化，于是我們重新進行了撓度測量。由于沒有想到更好的測量方法，我們依舊采用了之前的方法，但增加了測量次數，去掉最值取平均值的方法，但依舊無法避免誤差較大的事實，這是方法上的缺陷，只能盡可能地將誤差減小。然而在后續(xù)的電壓信號測量時我們發(fā)現，靜荷載與零荷載情況下，電壓變化依舊很小，雖然改良了激光測震系統(tǒng)，但收效其微。并且因為電壓差值是作為分母，同時差值的數量級只在0.0x，一個很小的誤差就會導致關系系數的極大的偏差。我們意識到我們的設計方法在出發(fā)點就有了錯誤，于是選擇回去討論，下次實驗進行改良。3.5我們意識到，前面的失敗這是程序設計中的算法問題。單純的FFT變換數字處理

16、程式過于片面，同時初始標定求關系系數的方法可控因素過少，誤差太大，所以我們決定換一個程序，換一個算法，使其不需要進行誤差極大的初始標定方法，而是通過動態(tài)監(jiān)測處理的方法，使誤差控制在最小。于是我們設計編程了FFT變換頻譜圖，使其不僅能監(jiān)測電壓信號的變化，還能在動態(tài)環(huán)境下進行關系系數的計算以及處理。但由于是系統(tǒng)自帶模塊的改進，所以我們并不知道其關系系數處理的原理以及方法。在一切準備就緒后，我們先是將取樣時間控制在3s左右，使其時間不至于過短或者過長。同時，我們進行了敲擊實驗。然而我們發(fā)現，在頻率合理范圍：150-500hz內，并沒有出現峰值，這說明程序出現問題，在咨詢老師后我們發(fā)現我們將程序的截止

17、頻率設定在了10hz，也就是說10hz以上的信號都被濾波器處理了，從而導致了在頻率合理范圍內沒有峰值。 我們將截止頻率設定在500hz，并再次進行了敲擊實驗對程序進行檢測，在大力敲擊與輕微敲擊情況下，頻率也隨之不同并且相差較大，并在合理范圍內，曲線也符合要求，從而證明了此方法的可行性。之后我們請老師打開了振動臺，進行了兩種隨機譜：長時間低量級隨機振動，以及，短時間高量級隨機振動。低量級振動我們選擇了10min，同時每一分鐘進行一次采樣，采樣的時間長度為5s，高量級我們選擇了5min，同樣是每一分鐘進行一次采樣，采樣時間長度為5s。每次采樣，得出振幅時間曲線圖，通過濾波器去除了不必要的雜波使曲線

18、趨于光滑易于觀測。之后通過FFT變換的頻譜圖程序，得出了加速度頻率曲線，并取其最大峰值對應的頻率即為該時間段內試樣梁的固有頻率。最后畫出固有頻率時間曲線圖，觀察固有頻率隨著時間變化的變化關系，并分析原因。4數據分析t/min f/Hz0 225.101 225.10 2225.103224.824225.105224.606224.857225.388224.359224.85按照之前討論的實驗原理，振幅時間曲線經過FFT變換后變成了加速度頻率曲線，取樣的時間段內，加速度最大峰值對應的頻率即為試樣梁在該時間點（段）的固有頻率。 但是在試驗后取得的數據進行繪圖后，我們發(fā)現，畫出的頻率時間曲線是一

19、個類似于正弦曲線的，且振幅在不斷變大的曲線，然后又通過線性擬合后，變成了一個線性減小的直線，符合之前的實驗原理。 所以我們的分析是：因為試樣梁的硬度很高，隨機振動情況下固有頻率變化會很微?。l率變化在1hz甚至0.1hz以內），我們讀數時誤差會不可避免的相當大。同時。在查詢了labview程序中所有的組件，我們并沒有查詢到相關的可以自動識別某頻率區(qū)間內，最大峰值對應的頻率的程序設計方法，這就將讀數方法局限在用肉眼觀察上。 我們試過將讀數放大倍數的方法，然而雖然橫坐標頻率的刻度值小了，但頻率的曲線也放大相當大的倍數，導致原本在低倍數條件下看到的最大峰值，放大相當大倍數后，變成了數個很難判斷大小，依舊只能靠肉眼觀察的峰，很難判斷哪個是最大的峰值。 鑒于實驗目的是觀察隨機譜激勵條件下，試樣梁隨機振動時固有頻率的變化。于是我們采用了線性擬合的方法，使描出的點均勻分布在線性直線兩邊，直線上對應的點最接近相應時間點上試樣梁的固有頻率。從而看出，隨著時間變化，試樣梁的固有頻率在不斷減小。由于試樣梁的材質為金屬且為合金，質地十分堅硬，在僅僅隨機振動10min的情況下，試樣梁的固有頻率減小的極